Hydratationsschale

Die Hydratationsschale ist der Teil der unmittelbaren Umgebung eines gelösten Stoffes in Wasser, der aus Wasser besteht und durch direkte Wechselwirkungen mit dem gelösten Teilchen geprägt ist. In wässrigen Lösungen handelt es sich dabei meist um die ersten Wassermoleküle, die sich eng an das Ion oder die polare Spezies anlagern und durch Ion-Dipol- oder Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden. Die Hydratationsschale ist dynamisch: Wassermoleküle wechseln kontinuierlich mit dem umgebenden Wasserspektrum.

Unterschieden wird allgemein zwischen der ersten Hydratationsschale (innere Schale), die aus den direkt koordinierenden Wassermolekülen besteht, und weiteren Schalen, die sich der inneren Schale anschließen und durch konstitutionelle Kräfte und Wasserstoffbrücken mit ihr verbunden bleiben. Die Wasseranordnung in der ersten Schale hängt stark von Ladung, Größe und Polarität des gelösten Teilchens ab.

Beispiele und Koordinationszahlen variieren je nach Ion. Bei einfachen Kationen wie Na+ liegt die Koordinationszahl der ersten Hydratationsschale typischerweise bei etwa sechs Wassermolekülen, während Mg2+ oft fünf bis sechs und Ca2+ sechs bis acht Bindungen aufweist. Anionen wie Cl− besitzen oft eine schwächere, vier bis sechs Wasser um sich herum in der ersten Schale. Exakte Werte hängen von Umweltbedingungen und Ioneneigenschaften ab.

Bedeutung und Anwendungen: Hydratationsschalen beeinflussen Lösungsenergie, Ionenmobilität, Reaktionskinetik und die Stabilität biomolekularer Strukturen. Sie spielen eine Schlüsselrolle in elektrochemischen Grenzschichten, Membranen und der Protein- bzw. Enzymstruktur.

Methoden: Struktur und Dynamik der Hydratationsschale werden durch NMR, Infrarotspektroskopie, Neutronenstreuung, Röntgenabsorptionsspektroskopie und computergestützte Molekulardynamik-Modelle untersucht.